EP1176418A2 - Potentialgesteuerter Gassensor - Google Patents

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EP1176418A2
EP1176418A2 EP01106135A EP01106135A EP1176418A2 EP 1176418 A2 EP1176418 A2 EP 1176418A2 EP 01106135 A EP01106135 A EP 01106135A EP 01106135 A EP01106135 A EP 01106135A EP 1176418 A2 EP1176418 A2 EP 1176418A2
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EP
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gas
sensitive
sensor
moisture
sensitivity
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EP01106135A
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English (en)
French (fr)
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EP1176418A3 (de
EP1176418B1 (de
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Maximilian Dr. Fleischer
Hans Prof. Meixner
Bernhard Ostrick
Roland Dr. Pohle
Elfriede Dr. Simon
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TDK Micronas GmbH
Original Assignee
TDK Micronas GmbH
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP1176418A3 publication Critical patent/EP1176418A3/de
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Publication of EP1176418B1 publication Critical patent/EP1176418B1/de
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
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    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0059—Avoiding interference of a gas with the gas to be measured
    • G01N33/006—Avoiding interference of water vapour with the gas to be measured

Definitions

  • the invention relates to a potential-controlled gas sensor and a method for gas detection.
  • the problem of a moisture measurement or a correction of Sensor data occurs particularly when operating a gas sensor at a temperature T ⁇ 100 ° C.
  • a low operating temperature but is desirable to reduce power consumption or for using temperature-sensitive components. Belong to the group of low temperature gas sensors for example microkelvin probes or silicon technology based field effect transistors.
  • Each of these measuring systems is comparatively expensive and not suitable for many applications, for example due to a high space requirement or a low vibration tolerance.
  • This task is accomplished by means of a potential controlled gas sensor according to claim 1 and by means of a method for gas detection solved according to claim 9.
  • a potential-controlled gas sensor which has at least one gas-sensitive area which can be polarized independently of a humidity C and whose relative dielectric constant ⁇ r depends on the humidity C.
  • the independence from the moisture C is to be understood in such a way that changes in the moisture C do not have a significant effect on the surface charge ⁇ .
  • “Polarizable” means that the gas sensitive Area either an electret, d. H. a permanently polarized Material with an almost constant surface charge ⁇ , or contains a material whose degree of polarization or Surface charge ⁇ by applying a control signal, for example a voltage that is adjustable. It will of course also meant electrets, which additional by setting a control signal their degree of polarization can change defined.
  • a potential-controlled gas sensor such as a field effect transistor or a micro-Kelvin probe
  • ⁇ ⁇ d / ( ⁇ r (C) ⁇ ⁇ 0 )
  • d a thickness of the gas sensitive area
  • ⁇ r the relative dielectric constant dependent on the humidity
  • ⁇ 0 is a dielectric constant of the vacuum.
  • ⁇ ge messenger is measured in the form of a voltage U or a voltage change ⁇ U.
  • a change in the relative dielectric constant ⁇ r (C) is used for moisture detection.
  • ⁇ r 80 (for water).
  • ⁇ ⁇ d / ⁇ 0 ⁇ [1 / ⁇ r (C1) - 1 / ⁇ r (C0)].
  • This gas sensor has the advantage that by varying the surface charge ⁇ and / or, in particular in the case of an electret, by varying the layer thickness d, a sensitivity to moisture can be set or a cross-sensitivity to moisture can be reduced or eliminated.
  • the use of the polarizable area is inexpensive and space-saving, for example as a layer within an FET or a micro-Kelvin probe.
  • the surface charge ⁇ of the gas sensitive area is adjustable by means of a control signal.
  • the gas sensitive area contains an electret because there is no control signal can be.
  • the moisture sensitivity i.e. the area of a possible potential change ⁇ , can then according to Eq. [2] by choosing the layer thickness d the range of an expected Sensor signal can be adjusted.
  • the gas sensor contains several electrets has gas sensitive layers, each of these Layers have a different thickness d. Thereby can a potential difference ⁇ according to G1. [2], for example a voltage difference can be easily calculated. In addition, a suitable choice of the layer thicknesses d reached an optimal measurement signal for a certain measuring range become.
  • the gas sensor is a Kelvin probe is present, especially as a micro-Kelvin probe.
  • gas sensor as the FET is present, in particular as GasFET, CCFET ( “C apacitively C oupled FET”) or ( “ate S uspended G FET”) as an SGFET.
  • CCFET “C apacitively C oupled FET”
  • ate S uspended G FET as an SGFET.
  • the gas-sensitive area contains BaCO 3 .
  • a layer thickness d and / or a surface charge o is set so that at least approximately the equation k ⁇ T / (n ⁇ e) [ln (C1) -ln (C0)] ⁇ ⁇ ⁇ d / ⁇ 0 ⁇ [1 / ⁇ r (C0) - 1 / ⁇ r (C1)] applies, where k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, e is the elementary charge, n is a numerical factor and C0 or C1 is a value of a humidity in the state 0 or 1. In this case, it is possible that the two moisture influences in states 0 and 1 at least partially cancel each other out.
  • This is a particularly simple and effective method for reducing or eliminating moisture cross-sensitivity.
  • the gas sensor has a plurality of gas-sensitive areas, at least one of which can be polarized.
  • a moisture cross sensitivity f (C0, C1) can be determined by the known moisture sensitivity of the polarizable layer according to Eq. [2], [3] can be compensated for in that its moisture cross-sensitivity corresponds to this f (C0, C1) ⁇ ⁇ d / ⁇ 0 ⁇ [1 / ⁇ r (C0) - 1 / ⁇ r (C1)] is at least approximately equated.
  • This compensation can be produced, for example, by means of a simple connection.
  • Figure 1 shows a plot of a potential difference ⁇ as Voltage difference ⁇ U in meV against a relative humidity rF in percent when varying a layer thickness d one from electret existing gas sensitive layer.
  • a surface charge of 2.0 x 10 7 e / cm 2 is required .
  • the sensor signal ⁇ U is given for a relative humidity rF of 40% at 25 ° C.
  • the relative dielectric ⁇ r (C) varies between 5 and 70.
  • the values are given for a layer of BaCO 3 .
  • BaCO 3 is a polycrystalline material in which the relative dielectric constant ⁇ r changes when exposed to moisture.
  • Figure 2 shows a sectional side view of the Structure of a GasFET without an air gap, the expression "GasFET” for a general gas sensitive field effect transistor stands.
  • a source region is in a base element 1 made of silicon 2 and a drain region 3 introduced, which by means of a passivation layer 4, which is open at the channel, be covered.
  • a gas sensitive Area 5 in the form of a gas sensitive layer Electret present, which is porous and gas permeable.
  • a metallization 8 on the upper cover layer is also porous and gas permeable.
  • the metallization 8 brings moisture, that is water molecules, to the gas-sensitive region 5, which thereupon changes the value of its dielectric constant ⁇ r (C). This in turn changes the sensor signal ⁇ or ⁇ U that can be tapped at the field effect transistor.
  • Figure 3 shows a CCFET (Capacitively Coupled FET), in which between the gas sensitive area 5 and the base element 1 an electrically floating metallization 6 is present.
  • CCFET Capacitively Coupled FET
  • FIG. 4 shows a SGFET (Suspended Gate FET) with a Air gap 7 with potentiometric coupling. It is for Inlet of the gas under the porous and gas permeable electret there is an air gap.
  • SGFET Small Gate FET
  • the gas sensitive Area 5 not by means of an electret, but a variable polarizable layer so that the gas sensitive area 5 by means of a control signal, typically a voltage that is defined pre-polarized.
  • a control signal typically a voltage that is defined pre-polarized.
  • This is e.g. B. favorable in the event that the surface charge ⁇ on the sensor layer 5 is not stable, but changes over time. This would be done without pre-polarization lead to a change in measurement sensitivity.
  • biases are polarizable when using a bias Materials suitable for moisture detection because a defined surface charge due to the preload ⁇ forms. It is also possible to use an electret in addition by applying a control signal a surface charge ⁇ can also be changed.
  • Analogous to the structure with reduced moisture cross sensitivity the same mechanism can also be used using two separate gas sensors and a suitable connection occur. This is useful, for example, if one of the sensors used has a gas sensitive layer that is either not polarizable or variably polarizable is, but not with a certain sensible bias to be operated, or where an electret is used, but there is no margin in the Layer thickness d there.
  • This gas sensor still shows an undesirable moisture cross sensitivity of the form f (C0, C1) a structure to be produced as described above, for its moisture sensitivity Eq. [8] applies. Thereby can the moisture sensitivity of the other sensor compensated by the moisture sensor or at least reduced become.

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Abstract

Der potentialgesteuerte Gassensor (G) weist mindestens einen gassensitiven Bereich (5) auf, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass er erstens unabhängig von einer Feuchte (C) polarisierbar ist, und zweitens eine relative Dielektrizitätskonstante (εr) aufweist, die von der Feuchte (C) abhängig ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen potentialgesteuerten Gassensor sowie ein Verfahren zur Gasdetektion.
Eine Detektion einer Feuchte ist eine wichtige Anforderungen in der Gassensorik. Dabei ist u. a. eine Anwendung eines kostengünstigen Feuchtesensors gewünscht.
Darüber hinaus zeigen viele Gassensoren eine Feuchte-Querempfindlichkeit, d. h., dass ein Sensorsignal bei einer Detektion eines zu detektierenden Gases ("Zielgas") von der relativen Feuchte rF abhängt. Diese kann einerseits zu einer veränderten Gassensitivität führen, zum anderen gibt es viele Gasreaktionen, die erst in feuchter Umgebung ermöglicht werden, siehe beispielsweise: T. Doll et al., "Ozone Detection in the PPB Range with Work Function Sensors Operating at Room Temperatur", Sensors and Actuators B 34 (1996) pp. 506-510. Zur Bestimmung der Feuchte und gegebenenfalls zur Korrektur des Sensorsignals ist es notwendig, parallel zur Detektion des Zielgases die Feuchte zu messen, siehe dazu: M.G. Buehler M. A. Ryan, "Temperature and Humiditiy Dependence of a Polymer-Based Gas Sensor", SPIE 3082 (1997) pp. 40-48 oder: J. Clements et al., "Novel, Self-Organising Materials for Use in Gas Sensor Arrays: Beating the Humidity Problem", Sensors and Actuators B 47 (1998) pp. 37-42.
Das Problem einer Feuchtemessung bzw. einer Korrektur von Sensordaten tritt insbesondere beim Betrieb eines Gassensors bei einer Temperatur T < 100°C auf. Eine geringe Betriebstemperatur ist aber wünschenswert zur Verringerung einer Leistungsaufnahme oder zur Verwendung temperatursensibler Bauelemente. In die Gruppe der Niedrigtemperatur-Gassensoren gehören beispielsweise Mikrokelvinsonden oder auf Silizium-Technologie basierende Feldeffekttransistoren.
Bisher sind im wesentlichen die folgenden Prinzipien zur Feuchtemessung bekannt:
  • kapazitive Luftfeuchtemessung. Beispielsweise aus: M. Matsuguchi et al. "Characterization of Polymers for a Capacitive-Type Humidity Sensor Based on Water Sorption Behavior", Sensors and Actuators B49 (1998) 179-185 ist dazu eine hygroskopische Polymerschicht bekannt, deren Dielektrizitätskonstante durch Wasseraufnahme entsprechend der relativen Feuchte rF verändert wird. Die dadurch veränderte Kapazität eines Dünnschicht-Kondensators ist direkt proportional zur relativen Feuchte rF.
  • Psychrometrische Luftfeuchtemessung. Bei diesem Prinzip wird mittels eines trockenen und eines befeuchteten Temperaturfühlers aufgrund einer Verdunstung des feuchten Fühlers ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Fühlern und daraus eine Luftfeuchte rF ermittelt.
  • Hygrometrische Luftfeuchtemessung. Ein hygrometrischer Messwertgeber ist mit einem Material ausgestattet, welches sich je nach Feuchte dehnt oder zusammenzieht. Durch Messung der Dehnung wird auf die Luftfeuchte rF zurückgeschlossen.
  • Taupunktspiegelhygrometer. Bei diesem Messverfahren wird eine Temperatur einer verspiegelten Fläche so weit abgekühlt, bis diese anfängt, zu beschlagen. Die in diesem Moment gemessene Temperatur entspricht der Taupunkttemperatur.
Jedes dieser Messsysteme ist vergleichsweise kostenintensiv und für viele Anwendungen nicht geeignet, beispielsweise aufgrund eines hohen Platzbedarfs oder einer geringen Erschütterungstoleranz.
Aus: J. Clements et al., "Novel, Self-Organising Materials for Use in Gas Sensor Arrays: Beating the Humidity Problem", Sensors and Actuators B 47 (1998) pp. 37-42, ist eine Überlegung bekannt, Schichten zu entwickeln, die nur eine geringe Feuchte-Querempfindlichkeit aufweisen.
Aus: K. Korsah, C.L. Ma, B. Dress, "Harmonic Frequency Analysis of SAW Resonator Chemical Sensors: Application to the Detection of Carbon Dioxide and Humidity", Sensors and Actuators B 50 (1998) 110-116 oder: A. E. Hoyt et al., "Simultaneous Measurement of C02 and Humidity Using a Pair of SAW Devices and Cluster-Analysis Pattern Recognition", Tagungsband Transducers '97, Chicago 1997, 1339-1342 ist eine Methode bekannt, ein Zielgas und eine Feuchte gleichzeitig mit verschiedenen Schichten zu messen und mittels Mustererkennung oder Frequenzanalyse eine Gasdetektion durchzuführen. Die Auslesung dieser Feuchtesensoren, die meist auf einer organischen Polymerschicht basieren, erfolgt z. B. mittels eines Oberflächenwellenfilters, einer Widerstandsmessung oder einer Messung einer Änderung von Dielektrizitätseigenschaften, siehe dazu: D. Rebière et al., "Synthesis and Evaluation of Fluoropolyol Isomers as SAW Microsensor Coatings: Role of Humidity and Temperature", Sensors and Actuators B 49 (1998) pp. 139-145 oder: R. Buchold et al., "Design Studies on Piezoresistive Humidity Sensors", Sensors and Actuators B 53 (1998) pp. 1-7.
Diese Ausleseverfahren sind mit hohen Kosten, insbesondere bezüglich einer Elektronik, verbunden bzw. erfordern eine häufige Rekalibrierung.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache, universell einsetzbare und kostengünstige Methode zur Feuchtemessung und/oder Reduzierung der Feuchte-Querempfindlichkeit auch bei einer niedrigen Temperatur bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels eines potentialgesteuerten Gassensors nach Anspruch 1 und mittels eines Verfahrens zur Gasdetektion nach Anspruch 9 gelöst.
Dazu wird ein potentialgesteuerter Gassensor verwendet, der mindestens einen gassensitiven Bereich aufweist, welcher unabhängig von einer Feuchte C polarisierbar ist und dessen relative Dielektrizitätskonstante εr von der Feuchte C abhängig ist. Dabei ist die Unabhängig von der Feuchte C so zu verstehen, daß sich Änderungen der Feuchte C nicht signifikant auf die Oberflächenladung σ auswirken.
Unter "polarisierbar" wird verstanden, dass der gassensitive Bereich entweder ein Elektret, d. h. ein permanent polarisiertes Material mit annähernd konstanter Oberflächenladung σ, enthält oder ein Material, dessen Polarisierungsgrad bzw. Oberflächenladung σ durch Anlegen eines Steuersignals, beispielsweise einer Spannung, einstellbar ist. Es werden selbstverständlich auch Elektrete gemeint, welche zusätzlich durch Anstellen eines Steuersignals ihren Polarisationsgrad definiert verändern können.
Bei einem potentialgesteuerten Gassensor, wie einem Feldeffekttransistor oder einer Mikro-Kelvinsonde, ergibt sich eine meßbare Potentialänderung ▵Φ aufgrund der Anwesenheit der Oberflächenladung o des gassensitiven Bereichs gemäß Φ = σ·d / (εr(C) ·ε0), wobei d eine Dicke des gassensitiven Bereichs, εr die von der Feuchte C abhängige relative Dielektrizitätskonstante und ε0 eine Dielektrizitätskonstante des Vakuums darstellt. Dies entspricht dem Prinzip einer Messung einer Austrittsarbeit. Eine prinzipielle Funktionsweise eines potentialgesteuerten Sensors bzw. einer Messung der Austrittsarbeit ist beispielsweise in Reedyk und Perlman, "The Measurement of Surface Charge", J. Electrochem. Soc., 15 (1) 1968 pp. 49-51 beschrieben. Typischerweise wird die Potentialänderung ΔΦ in Form einer Spannung U bzw. einer Spannungsänderung ▵U gemessen.
Zur Feuchtedetektion wird eine Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante εr(C) verwendet. Eine typische Änderung, liegt zwischen εr = 5 (für keramische Materialien) und εr = 80 (für Wasser). Ausgehend von Gl. [1] ergibt sich dann eine Potentialänderung ▵Φ bei einem Wechsel von einer Feuchte (C0) zu einer anderen Feuchte (C1) gemäß ▵Φ = σ·d / ε0· [1/εr(C1) - 1/εr (C0)] .
Dieser Gassensor besitzt den Vorteil, dass mittels einer Variation der Oberflächenladung σ und/oder, insbesondere bei einem Elektret, durch Variation der Schichtdicke d entweder gezielt eine Feuchteempfindlichkeit eingestellt oder eine Feuchte-Querempfindlichkeit reduziert bzw. eliminiert werden kann.
Zudem ist die Verwendung des polarisierbaren Bereichs preiswert und platzsparend möglich, beispielsweise als Schicht innerhalb eines FETs oder einer Mikro-Kelvinsonde.
Hinzu kommt, dass keine besonderen Anforderungen an mechanische Anforderungen gestellt werden brauchen , beispielsweise gegenüber einer Vibration oder einer hohen Beschleunigung.
Es ist zur variablen Einstellung der Messempfindlichkeit vorteilhaft, wenn die Oberflächenladung σ des gassensitiven Bereichs mittels eines Steuersignals einstellbar ist.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn der gassensitive Bereich ein Elektret enthält, weil so auf ein Steuersignal verzichtet werden kann. Die Feuchteempfindlichkeit, also der Bereich einer möglichen Potentialänderung ▵Φ, kann dann gemäß Gl. [2] durch eine Wahl der Schichtdicke d dem Bereich eines erwarteten Sensorsignals angepasst werden.
Lässt sich der Polarisationsgrad des Elektrets zusätzlich durch ein Steuersignal ändern, so ist die Messempfindlichkeit auch durch eine Änderung des Steuersignals anpassbar.
Eine einstellbare Feuchteempfindlichkeit, sei es bei Elektreten über die Einstellung der Schichtdicke d oder bei variabel polarisierbaren Materialien über das Steuersignal, kann beispielsweise dazu verwendet werden, um
  • a) eine Feuchte zu detektieren;
  • b) eine Feuchte-Querempfindlichkeit durch geeignete Wahl der Schichtdicke d oder des Steuersignals zu eliminieren;
  • c) die Feuchteempfindlichkeit mittels des polarisierbaren gassensitiven Bereichs so einzustellen, dass die Feuchte-Querempfindlichkeit einer anderen Sensorschicht kompensierbar ist.
    • Es ist vorteilhaft, wenn der Gassensor mehrere Elektret enthaltende gassensitive Schichten aufweist, wobei jede dieser Schichten eine unterschiedliche Dicke d aufweist. Dadurch kann eine Potentialdifferenz ▵Φ gemäß G1. [2], beispielsweise eine Spannungsdifferenz, auf einfache Weise berechnet werden. Zusätzlich kann durch eine geeignete Wahl der Schichtdicken d ein für einen bestimmten Messbereich optimales Messsignal erreicht werden.
    Es ist aufgrund der empfindlichen Messung und kleinen Bauteilvolumen vorteilhaft, wenn der Gassensor als Kelvinsonde vorliegt, insbesondere als Mikro-Kelvinsonde.
    Es ist auch günstig, wenn der Gassensor als FET vorliegt, insbesondere als GasFET, CCFET ("Capacitively Coupled FET") oder als SGFET ("Suspended Gate FET"). Der Einsatz eines FET führt zu einem kleinen, robusten, einfach, preisgünstig herstellbaren sowie gut zu handhabenden Gassensor.
    Es ist ebenfalls günstig, wenn der gassensitive Bereich BaCO3 enthält.
    Zur Reduzierung einer Feuchte-Querempfindlichkeit wird es bevorzugt, wenn eine Schichtdicke d und/oder eine Oberflächenladung o so eingestellt wird, dass zumindest annähernd die Gleichung k·T/(n·e) [ln(C1)-ln(C0) ] ≈ σ·d/ε0·[1/εr(C0) - 1/εr(C1) ] gilt, wobei k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, e die Elementarladung, n einen Zahlenfaktor und C0 bzw. C1 ein Wert einer Feuchte im Zustand 0 bzw. 1 darstellen. In diesem Fall ist es möglich, dass sich die beiden Feuchteeinflüsse im Zustand 0 und 1 zumindest gegenseitig teilweise aufheben.
    Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn mindestens zwei gassensitive und Elektret-enthaltende Schichten mit jeweils unterschiedlichen Schichtdicke d1 bzw. d2 eingesetzt werden. Weisen diese beiden gasempfindlichen Schichten neben einer spezifischen Sensitivität gegenüber einem Zielgas ebenfalls eine Feuchte-Querempfindlichkeit gemäß Gl. [1] auf, so gelten für das Sensorsignal S1 der ersten Schicht und für das Sensorsignal S2 der zweiten Schicht die Gleichungen: S1 = SZ + σ·d1 / εrε0 S2 = SZ + σ·d2 / εrε0
    Daraus lässt sich das nur durch das Vorhandensein des Zielgases ausgelöste Sensorsignal SZ SZ = (d2 S1 - d1 S2) / (d2 - d1) unabhängig von einer Feuchte C sowie das Sensorsignal SF aufgrund der Feuchte aus SF = σ·(d1 - d2) / (εr·ε0) berechnen. Dies ist eine besonders einfache und effektive Methode zur Reduzierung bzw. Elimination der Feuchte-Querempfindlichkeit.
    Es ist auch günstig, wenn der Gassensor mehrere gassensitive Bereiche aufweist, von denen mindestens einer polarisierbar ist. Dann kann eine Feuchte-Querempfindlichkeit f(C0,C1) durch die bekannte Feuchte-Empfindlichkeit der polarisierbaren Schicht gemäß Gl. [2], [3] dadurch kompensiert werden, dass dessen Feuchte-Querempfindlichkeit dieser gemäß f(C0,C1) ≈ σ·d/ε0·[1/εr(C0) - 1/εr(C1)] zumindest annähernd gleichgesetzt wird. Diese Kompensation kann beispielsweise mittels einer einfachen Verschaltung hergestellt werden.
    Selbstverständlich ist es auch möglich, auf diese Weise eine Feuchte-Querempfindlichkeit eines weiteren, autonomen Gassensors ohne polarisierbare Schicht zu kompensieren, indem dieser weitere Gassensor und ein einen polarisierbaren gassensitiven Bereich aufweisender Sensors extern werden und die Sensorsignale beispielsweise in einer separaten Auswerteeinheit, beispielsweise einem Mikroprozessor, zusammengeführt werden. In der folgenden Ausführungsbeispiele wird ein potentialgesteuerter Gassensor anhand von mehreren Arten von Feldeffekttransistoren ("FETs") mit jeweils einer Elektret-enthaltenden gassensitiven Schicht schematisch näher dargelegt.
    Figur 1
    zeigt Feuchtesignale bei einer Auftragung einer gemessenen Potentialdifferenz gegen eine relative Feuchte;
    Figur 2
    zeigt ein GasFET ohne Luftspalt mit potentiometrischer Kopplung;
    Figur 3
    zeigt ein CCFET ohne Luftspalt mit kapazitiver Kopplung;
    Figur 4
    zeigt ein SGFET mit Luftspalt und potentiometrischer Kopplung.
    Figur 1 zeigt eine Auftragung einer Potentialdifferenz ΔΦ als Spannungsdifferenz ▵U in meV gegen eine relative Feuchte rF in Prozent bei Variation einer Schichtdicke d einer aus Elektret bestehenden gassensitiven Schicht.
    Vorausgesetzt wird eine Oberflächenladung von 2,0 x 107e/cm2. Das Sensorsignal ΔU ist für eine Konzentration relativer Feuchte rF von 40% bei 25°C angegeben. Die relative Dielektrizität εr(C) variiert dabei zwischen 5 und 70. Die Werte sind angegeben für eine Schicht aus BaCO3. BaCO3 ist ein polykristallines Material, bei dem sich die relative Dielektrizitätskonstante εr unter Feuchtebeaufschlagung ändert.
    Man erkennt deutlich, dass die Empfindlichkeit des Sensorsignals ΔU stark von der Dicke d des gassensitiven Bereichs 5, hier als Schicht vorliegend, abhängt. In diesem Fall führt eine größere Schichtdicke d zu einer signifikant höheren Messgenauigkeit.
    Figur 2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht den Aufbau eines GasFETs ohne Luftspalt, wobei der Ausdruck "GasFET" für einen allgemeinen gassensitiven Feldeffekttransistor steht.
    Dabei sind in ein Basiselement 1 aus Silizium ein Sourcebereich 2 und ein Drainbereich 3 eingebracht, welche mittels einer Passivierungsschicht 4, welche am Kanal geöffnet ist, überdeckt werden. Zwischen Source 2 und Drain 3 ist ein gassensitiver Bereich 5 in Form einer gassensitiven Schicht aus Elektret vorhanden, welches porös und gasdurchlässig ist. Als obere Deckschicht ist eine Metallisierung 8 vorhanden, welche ebenfalls porös und gasdurchlässig ist.
    Durch die Metallisierung 8 gelangt Feuchte, also Wassermoleküle, an den gassensitiven Bereich 5, welcher daraufhin den Wert seiner Dielektrizitätskonstante εr(C) ändert. Dadurch ändert sich wiederum das am Feldeffekttransistor abgreifbare Sensorsignal ▵Φ bzw. ▵U.
    Figur 3 zeigt einen CCFET (Capacitively Coupled FET), bei dem zwischen dem gassensitiven Bereich 5 und dem Basiselement 1 eine elektrisch floatende Metallisierung 6 vorhanden ist.
    Figur 4 zeigt einen SGFET (Suspended Gate FET) mit einem Luftspalt 7 bei potentiometrischer Koppelung. Dabei ist zum Einlass des Gases unter dem porösen und gasdurchlässigen Elektret ein Luftspalt vorhanden.
    In diesen Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, den gassensitiven Bereich 5 nicht mittels eines Elektrets, sondern einer variabel polarisierbaren Schicht auszuführen, so dass der gassensitive Bereich 5 mittels eines Steuersignals, typischerweise einer Spannung, definiert vorpolarisiert wird. Dies ist z. B. günstig für den Fall, dass die Oberflächenladung σ auf der Sensorschicht 5 nicht stabil ist, sondern sich zeitlich verändert. Dies würde ohne definiertes Vorpolarisieren zu einer Veränderung der Messempfindlichkeit führen.
    Bei Verwendung einer Vorspannung sind prinzipiell alle polarisierbaren Materialien zur Feuchtedetektion geeignet, da sich durch die Vorspannung eine definierte Oberflächenladung σ ausbildet. Ebenfalls ist es möglich, ein Elektret zu verwenden, bei dem zusätzlich durch Anlegen eines Steuersignals eine Oberflächenladung σ zusätzlich veränderbar ist.
    Bei einer Verwendung der Ausführungsformen als Gassensoren mit verminderter Feuchte-Querempfindlichkeit, d. h. dass durch den gassensitiven Bereich nicht nur eine Feuchte rF, sondern auch ein Zielgas detektiert werden soll, können beispielsweise die folgenden Abwandlungen implementiert werden:
    Bei einer Gasdetektion bei T < 100°C laufen viele Gasreaktionen unter Beteiligung der Feuchte ab. Dies gilt insbesondere dann, falls im Reaktionsmechanismus als ein Reaktionsschritt eine typische Säure- oder Basen-Bildungsreaktion beteiligt ist, beispielsweise CO2 + H2O → H2CO3 2NO2 + H2O → HNO2 + HNO3 NH3 + H2O → NH4OH
    In diesen Fällen ist mit einer Feuchte-Querempfindlichkeit der jeweiligen Gasreaktion in der Größenordnung einer Potentialänderung gemäß Gl. [2] zu rechnen. Diese Feuchte-Querempfindlichkeit kann nicht durch Filtern des Gasstroms eliminiert werden, da die Reaktionen eine wichtige Teilreaktion im Reaktionsmechanismus darstellen. Im Falle einer polarisierbaren Schicht 5 kann sie jedoch vermindert werden, indem man die Oberflächenladung σ und/oder die Schichtdicke d im typischen Arbeitsbereich derart anpasst, dass Gl. [3] gilt. In diesem Fall heben sich die beiden Feuchteeinflüsse gegenseitig zumindest teilweise auf.
    Werden polarisierbare Schichten verwendet, die neben einer spezifischen Zielgas-Sensitivität ebenfalls aufgrund von Gl. [1] eine Feuchte-Querempfindlichkeit zeigen, so kann durch den Vergleich zweier Schichten aus demselben Material, aber unterschiedlicher Dicke d und/oder unterschiedlicher Oberflächenladung σ die Feuchte-Querempfindlichkeit vermindert werden. Die Sensorsignale S1 und S2 der zwei unterschiedlich dicken bzw. mit einer unterschiedlichen Ladung σ versehenen Schichten berechnen sich dann nach Gl. [4], woraus sich ein zusammengesetztes Signal SZ bzw. SF gemäß Gl. [5] bzw. Gl. [6] ergibt. Es lassen sich also dadurch unabhängige Sensorsignale ohne Querempfindlichkeit konstruieren.
    Analog zum Aufbau mit verminderter Feuchte-Querempfindlichkeit kann der gleiche Mechanismus auch unter Verwendung von zwei getrennten Gassensoren und einer geeigneten Verschaltung stattfinden. Dies ist beispielsweise sinnvoll, wenn eine der verwendeten Sensoren eine gassensitive Schicht aufweist, die entweder nicht polarisierbar ist, oder zwar variabel polarisierbar ist, aber nicht mit einer bestimmten sinnvollen Vorspannung betrieben werden soll, oder bei der ein Elektret verwendet wird, wobei es aber keinen Spielraum in der Schichtdicke d gibt.
    Zeigt dieser Gassensor weiterhin eine unerwünschte Feuchte-Querempfindlichkeit der Form f(C0,C1), so kann mittels eines oben beschriebenen Feuchtesensors ein Aufbau hergestellt werden, für dessen Feuchte-Empfindlichkeit Gl. [8] gilt. Dadurch kann die Feuchte-Querempfindlichkeit des weiteren Sensors durch den Feuchtesensor kompensiert oder zumindest vermindert werden.

    Claims (12)

    1. Potentialgesteuerter Gassensor (G) mit mindestens einem gassensitiven Bereich (5),
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der mindestens eine gassensitive Bereich (5)
      unabhängig von einer Feuchte (C) polarisierbar ist,
      eine relative Dielektrizitätskonstante (εr) aufweist, die von der Feuchte (C) abhängig ist.
    2. Gassensor (G) nach Anspruch 1, bei dem
      der Polarisierungsgrad der gassensitiven Schicht (5) mittels eines Steuersignals, insbesondere einer Spannung, veränderbar ist.
    3. Gassensor (G) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der mindestens eine gassensitive Bereich (5) ein Elektret, insbesondere BaCO3, enthält.
    4. Gassensor (G) nach Anspruch 3, der
      mehrere gassensitive Bereiche (5) mit einer jeweils unterschiedlicher Schichtdicke (d,d1,d2) aufweist.
    5. Gassensor (G) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Kelvinsonde, insbesondere als Mikro-Kelvinsonde, ausgeführt ist.
    6. Gassensor (G) nach einem der Ansprüch1 1 bis 4, der als Feldeffekttransistor, insbesondere als GasFET, SGFET oder CCFET, ausgeführt ist.
    7. Verfahren zur Gasdetektion, bei dem
      aufgrund einer Änderung einer Feuchte (C) eine relative Dielektrizitätskonstante (εr) mindestens eines polarisierbaren gassensitiven Bereichs (5) verändert wird;
      mittels der Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante (εr) eine Potentialänderung (▵Φ) gemessen wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem
      eine Feuchte-Empfindlichkeit durch Anlegen eines Steuersignals, insbesondere einer Spannung, eingestellt wird.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, bei dem
      eine Feuchte-Empfindlichkeit mittels einer Schichtdicke (d d1, d2) mindestens eines ein Elektret enthaltendes gassensitiven Bereichs (5) bestimmt wird.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem
      zur Reduzierung einer Feuchte-Querempfindlichkeit eine Dicke (d,d1,d2) und/oder eine Oberflächenladung (σ) des gassensitiven Bereichs (5) so eingestellt wird, dass zumindest annähernd die Gleichung k·T/(n·e) [ln(C1)-ln(C0)] ≈ σ·d/ε0·[1/εr(C0) - 1/εr(C1)] gilt.
    11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem
      ein weiterer Sensor verwendet wird, dessen Feuchte-Querempfindlichkeit mittels der Gleichung f(C0,C1) ≈ σ·d/ε0·[1/εr(C0) - 1/εr(C1)] kompensiert wird.
    12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem bei einer Verwendung zweier gassensitiver, Elektret enthaltender Schichten (5), die jeweils eine unterschiedliche Schichtdicke (d1,d2) aufweisen, ein Sensorsignal (SZ) eines zu detektierenden Zielgases und/oder ein Sensorsignal (SF) der Feuchte (C) unter Verwendung der Gleichungen SZ = (d2 S1 - d1 S2) / (d2 - d1) bzw. SF = σ·(d1 - d2) / (εr·ε0), mit S1 dem Sensorsignal einer der zwei gassensitiven Bereiche und S2 dem Sensorsignal der anderen der beiden gassensitiven Schichten, berechnet wird.
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